1965年,計算機技術尚處于起步階段,一位開創性的計算機工程師戈登·摩爾(Gordon Moore)寫了一篇讓當時的技術人員倍感震驚的文章。摩爾的理論是,計算機的性能每12個月將會提升一倍,而該技術的成本同時下降50%。40年來,所謂的摩爾定律仍堅如磐石。
芯片性能還能提升嗎？" alt="當摩爾定律不再適用后 芯片性能還能提升嗎？" src="http://images.ofweek.com/Upload/News/2017-03/14/lin/1489458524747055650.jpg" width="600" height="355"/>
但對于摩爾來說,這是艱難的日子。去年,摩爾參與創立的計算機芯片制造商英特爾表示,它們將處理性能翻倍的速度已經減緩到30個月。2016年5月,麻省理工學院技術評論的頭條文章標題為“摩爾定律已死”。
的確,計算機性能的提升速度正在放緩。這種放緩也確實是一個問題:我們承諾的許多下一代產品取決于更快、更強大、更便宜的芯片,而且它們的發展也印證了摩爾定律將會持續的假設。如果指數級增加放緩或停止,那么虛擬現實、人工智能、自動駕駛汽車、醫療,以及基因工程,甚至最新的智能手機的發展都會明顯延緩。
但從某個角度看,摩爾定律已死的報告可能嚴重夸大了事實。
芯片可以做到多小?
摩爾定律未死,但看上去命不久矣。如果它會復蘇,工程師和產品設計師必須尋找新的突破口。
“必須”不是建議,而是基于物理學定律。計算機工程師通過縮小芯片尺寸來提升其性能,但這種策略已經過時了。在芯片設計中,我們一頭撞向了物理學和幾何學的高墻:作為一個實際問題,把芯片變得越來越小是非常困難的。
當代芯片設計已經將芯片各個組成部分之間的空間縮小到了十幾納米。如果您不是工程師,請您想象一張紙的厚度(約1毫米,相當于100,000納米)。芯片內部的空間大約是一張紙厚度的1/8000。雖然我們有可能進一步縮減這些尺寸到7納米左右,但是業內估計,僅僅開發7nm芯片原型就將耗資1億美元,而且全球只有3家公司有能力嘗試:臺積電(TSMC),三星,以及摩爾創立的英特爾。英特爾剛剛宣布投資90億美元研發7納米處理器,這至少需要四年時間。
我們完成了7納米后,從更小的空間就擠不出東西了。因此,提升計算技術的性能將歸結到我們在其他兩個領域的創新做得如何,它們是熱管理和功率密度。
發熱和功率問題是設計和器件的殺手。它們對創新也是致命的。受尺寸以及發熱和功率問題的限制,我們基本原地踏步。
步驟1:不要設計發熱的芯片
為了重新將計算能力的提升速度恢復到原來水平,我們必須突破熱管理的界限。這樣來考慮:為了讓汽車速度更快,我們需要更強大的引擎和更好的輪胎。但現在,幾乎我們做的一切都是提升引擎性能,致使輪胎爆胎。
發熱問題已經阻礙了一些計算機工程的進步,例如堆疊。堆疊是一種設計方案,計算機系統的各個部分,諸如處理器、存儲器和電源等等層層疊加。這縮短了遠程命令,能量必須再機器內傳遞,節省能源,并提高處理速度。
雖然堆疊的組件速度更快,但是它們產生的熱量相對于彼此分開時更多。它們的接近嚴重限制了工程師維持可行的安全溫度的能力。因此,芯片制造商高通和英特爾已經拋棄了堆疊的想法。英特爾組裝和測試開發技術總監Babak
Sabi對EETimes雜志講:“沒人真正將邏輯存儲器堆疊,除非有人提出了熱解決方案……我不認為會有人采用這種方案。”
舊的散熱技術依靠銅/鋁管和銅/鋁板來傳導和發散熱量。但是這些管和板很重,這使得它們在筆記本電腦、手機,和汽車等產品中效率低下。它們同樣僵硬、不靈活,這使得它們成為了設計的噩夢,請嘗試圍著一張銅板設計一部光滑、性感的智能手機。
好消息是,由于熱技術阻礙了計算機整體性能的進步,所以它的發展很快。未來的熱解決方案可能包括凝膠、漿料,以及新設計的柔性纖維,而不是沉重、剛性的材料。例如,NASA目前正在測試一種新的、輕便的柔性散熱材料,看起來和感覺上都很像天鵝絨。
步驟2:從功率投入中獲取更多的回報
如果熱問題束縛了摩爾定律,那么功率密度問題則讓摩爾定律徹底癱瘓。
功率密度是從設定的空間可以汲取的功率量。如果電池相同,更大的功率密度可以提供更多的功率,從而延長續航時間。回到賽車的類比,如果計算機處理是發動機,熱管理是輪胎,那么功率密度是燃料。
我們的計算機和其他電子產品越來越快,越來越強,需要在越來越小的空間中集中越來越多的功率——但我們的電池技術卻只是緩慢前進。正如三星Galaxy Note 7S告訴你的,在平衡更大的電源需求和更嚴格的設計規格方面,即使是最輕微的錯誤,也可能是災難性的。
能量密度問題對于下一代移動計算產品,如機器人、無人機、空間探索設備,以及電動汽車而言,都是一個巨大的停止標志。對于這些領域,功率密度就是一切。對于更多的休閑消費者而言,缺乏功率密度的改進正是你覺得自己的手機電池電量快速下降的原因。
使問題更進一步復雜化的是,能量密度和熱管理是相關的問題。儲存,電池充電,以及牽引供電都會產生熱量。因此,每當工程師突破一個邊界時,另一方面的因素就會變得更加復雜。
芯片技術的未來
但是,我們所面臨的并非全是厄運和黑暗。我非常樂觀地認為,科學家和工程師們很快就會讓摩爾定律的步伐跨越熱管理和功率密度。我有信心的原因之一是,克服這些技術、工程和設計挑戰的誘因是由消費者驅動的。消費者希望電池續航時間更長,筆記本電腦不太熱;他們優先考慮更薄、更輕的產品,而不是處理能力更強的產品。因此,當涉及到風險/回報的商業決策時,解決掉發熱和功率問題可以獲得可觀的經濟回報。
另一個樂觀的原因是,創新減速造成了技能鏈的松弛,這意味著,我們在熱能或能源技術中每前進一步,都可能在其他方面解鎖相應的進步。
當這種情況發生時,新產品和新技術的涌現將變得快速而激烈,這會同時恢復并摧毀摩爾定律。摩爾預測,技術進步可能不是線性的,但最終它可能變得更加激動人心。